无线监测系统在泸定水电站灌浆施工中的应用

罗 熠，张剑飞，胡俊义

（1.长江科学院仪器及自动化所，湖北 武汉 430010；2.四川华电泸定水电有限公司，四川 泸定 626100）

0 引言

水电工程灌浆过程中，灌浆压力过大，会给岩层或者建筑物的结构造成破坏性的影响；而压力过小通常会使灌浆达不到想要的效果。同时为了对工程的工作量和资源进行有效的控制，必须使用灌浆记录仪来记录、显示和打印灌浆过程的压力、流量、比重、抬动等信息。

由于在灌浆施工过程中传统灌浆记录仪工作点相对孤立、分散，而且在一个施工面之中往往有多台灌浆记录仪同时运行。因此当设备出现异常情况时，工作人员通常不易立即察觉，处理异常事件的效率不高，在一定程度上影响了工程的进度。这就迫切需要可靠、集中的监测系统对灌浆过程进行实时监控，以提高施工效率，方便管理。

无线传感器网络监测技术在检测准确度和监测灵活等方面都具有很大的优势，它具有灵活、流动等优点，省去了花在综合布线上的费用和精力。通过自适应的组网和无线通信技术，使得所有灌浆记录仪之间通过分布式协作实现统计采样、数据融合、查询式监控、短信预警和动态功能升级等先进的监控功能。

1 无线监测系统的原理与特点

无线监测系统是根据水电站灌浆施工现场的实际情况设计的一套完整的灌浆监测系统，主要由3部分构成：GJY-7型记录仪作为数据采集发送终端，主要负责控制命令传送和数据采集；网络协调器和无线路由器作为现场控制中心主要负责从1个或者多个记录仪上进行数据收集并缓存；中央服务器作为远程控制中心通过GPRS网络与各个现场控制中心建立通讯。

1.1 基本原理

无线监测系统充分运用了网络通信技术、电子测量技术、嵌入式计算机技术、组态软件技术、全触摸屏技术、远程控制及自动化技术等高新技术手段，以 《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》、 《灌浆记录仪技术导则》为理论指导，对灌浆过程进行监测与反馈处理。以中央服务器和网络协调器为核心，以无线路由器为骨干单元，以施工面内每台GJY-7型无线网络灌浆自动记录仪为数据采集发送终端，通过特定的通信模式自组织为无线网络，覆盖整个施工面。

在帷幕灌浆廊道中，无线监测系统具体设置如下：GJY-7型灌浆记录仪内的终端节点模块设置为网络端点，它是数据的形成和发送者；无线路由节点模块设置为无线路由器，它的主要作用是从每个网络端点接收数据，继而向网络协调器转发数据，增加无线路由器的个数，即可扩大无线网络覆盖范围；无线通信协调者节点模块被设置为网络协调器，它是无线网络的启动者和维护者；GPRS模块设置为信号发射器，将网络协调器上的数据通过GSM网（或3G网）上传中央服务器上。用户登陆中央服务器即可进行远程监控。

1.2 系统特点

无线监测系统具有以下特点：

（1）通信频段高，抗通信干扰能力强，点对点直线无障碍条件下的理想通信距离可达1 000 m。

（2）以多跳路由模式传输数据，使无线传感器网络的覆盖面大大增加，将数据通信的可靠性提升到新量级。

（3）网络节点255个，通过无线网关可以扩展到6 500多个节点。

（4）节点具备随机自动组网以及加入、退出网络功能，完全满足灌浆记录仪应用环境的需要。

（5）无需建立无线通信机站，没有通信费用，在任何施工廊道内无通信死区。

（6）用户可以在互联网上登陆在线管理系统，实时监视灌浆过程数据，并进行后续数据处理。

（7）对于不同层级的用户，系统可以根据各方面不同的职责设置不同的用户权限，对服务器上的数据实施不同程度的管理。

（8）具有最新的手机短信异常预警功能。

2 实际应用

四川省大渡河流域泸定水电站坝址区河谷覆盖层深厚，层次结构复杂，一般为120～130 m，最大厚度148.6 m。土体多具中等强透水性，存在渗漏及抗渗稳定性问题。因为在较开阔的河谷、高地震烈度区、深厚不均匀覆盖层上建造高土石坝的复杂性，坝基防渗处理成为大坝工程设防的重点和难点，且大部分灌浆孔段深度超过百米级对灌浆压力的控制要求较高。泸定水电站在坝基河床段基岩及覆盖层帷幕灌浆施工过程中，采用了长江科学院仪器所自主研发的基于GJY-7型网络灌浆自动记录仪的无线监测系统。该系统能进行互联网在线监测，具备最新的手机短信异常预警功能，为业主、监理和施工方对灌浆过程的监管提供了有效手段，是确保大坝帷幕灌浆质量的可靠保证之一。

2.1 帷幕灌浆廊道无线组网

河床段基岩及覆盖层帷幕灌浆廊道水平段长约500 m，斜坡段长约200 m，交通洞长约300 m。设置GJY-7型一拖二无线网络灌浆记录仪主设备工作点12个，流量传感器48套、比重传感器和压力传感器各24套。在距衬砌廊道口70 m处装设了1个无线网络协调节点模块，之后每间隔200 m装置1个无线路由节点模块 （共2个），在交通洞洞口装设1个GPRS无线发射节点模块。自2010年12月底组网成功之后，一直运行正常。所有无线模块的电源均来自廊道内部的220 V交流照明电路，模块具备超低功耗的特点，且散热功能强大，还含有备用电源线路，可保持至少1年内不间断使用。

2.2 针对泸定水电站特殊情况的功能升级

在坝基帷幕灌浆孔中，多数孔深达100 m以上。业主、监理、施工对灌浆压力控制高度重视，要求在灌浆过程中记录仪能够显示全压力便于控制，并且反应在打印报表中；要求打印报表表头具备与泸定水电站特点匹配的项目信息。在短时间内，研发人员针对这两点要求进行了软件升级，取得了良好的效果。

由于泸定县电网稳定性不理想，非计划停电次数频繁，电压波动范围较大，对此研发人员设置了掉电数据保护措施，来电后依然可以承接停电时数据继续运行，传统记录仪由于停电时间很短导致数据丢失后扫孔重灌的情况被彻底避免；对于电源部分，专门设计了宽幅稳压电路。

2.3 灌浆网络管理信息系统简介

灌浆网络管理信息系统结合无线传感器网络技术、面向对象的数据库系统编程技术，将灌浆施工过程中采集的数据通过无线网络收集、传输和入库，进行统一、有效的管理， 建立b/s结构的网络体系，方便用户可以随时、随地实时监测工程灌浆施工的进度及质量，为后方的决策支持提供数据和图表支持。

主要功能介绍：①能够实时浏览、查询现场灌浆施工数据，了解现场设备使用情况；②能够查询任意施工单位、工程部位、设备号、灌浆孔号、段号，任意时间段的各类灌浆参数；③能够生成灌浆施工记录表、灌浆成果表、施工示意图等灌浆规范要求的图表；④提供短信预警功能，对灌浆施工过程中出现的参数异常将进行短信预警，第一时间了解现场各类异常情况。

2.4 应用效果

无线监测系统使业主和监理实现了一站式管理，大大节约了施工成本。用户只需通过登陆互联网上的远程监控中心网页即可对施工过程实时监控。当某台记录仪出现异常时，中央服务器会即刻发送预警简讯到预先设定的手机号码，这时监管人员和专门技术人员立即进入施工廊道内就能准确找到出现异常原因，并及时处理事故，使灌浆施工顺利进行。

根据实际监测效果来看，本系统故障率较低，异常现象较少，售后服务人员对异常的处理迅速，总体效果较好。

3 结语

本无线监测系统凭借先进的综合高新技术手段，结合灌浆过程监测的实际需要，设计出能够代表国内先进水平的，具有信息化、图形化、网络化的无线网络智能灌浆监测平台。系统在泸定水电站大坝帷幕灌浆工程中的成功应用，预示着灌浆施工的管理将从分散的监管模式，向互联网在线同步集中管控模式迈进。

随着3G网络的成熟与实施，可以考虑将数据通信从GPRS上转换成3G通信，从而得到更高的传输速率和带宽，使系统的监控能力得到进一步提高。

［1］ 罗熠，于军.基于无线传感器网络的灌浆参数监测系统［J］.长江科学院院报， 2010（12）:87-90.

［2］ 杜小文.面向大坝安全监测的无线传感器网络的设计［D］.大连：大连理工大学，2009.

［3］ 周宇.基于ARM的灌浆监测系统的实现［D］.湘潭：湖南科技大学,2007.